DE1773177A1 - Device for determining the concentration of a certain component in a gas mixture by means of infrared analysis - Google Patents
Device for determining the concentration of a certain component in a gas mixture by means of infrared analysisInfo
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Description
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Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Bestandteils in einem Gasgemisch mittels InfrarotanalyseDevice for determining the concentration of a certain component in a gas mixture by means of infrared analysis
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Kon- ' zentration eines bestimmten Bestandteils, der einen merklichen Anteil infraroten Lichtes absorbieren kann, in einem Gasgemisch. Derartige Infrarotanalysatoren sind bekannt.The invention relates to a device for determining the con- ' concentration of a certain component, which can absorb a significant amount of infrared light, in a gas mixture. Such infrared analyzers are known.
Bei einem bekannten Infrarotanalysator werden zwei parallele infrarote Lichtstrahlen verwendet, deren einer ein Analysenstrahl ist. Die beiden Strahlen sind im allgemeinen im Gegentakt moduliert, so daß sie abwechselnd auf zwei nebeneinander angeordnete Strahlungsempfänger auftreffen. Es sind auch modulierte Einstrahlinstrumente | bekannt, bei denen die Selektivität für ein bestimmtes Gas durch getrennte, in Tandem geschaltete pneumatische Detektoren erzielt wird, wobei der zweite Detektor weniger Energie als der erste empfängt. Es sind auch Einstrahlinstrumente bekannt, die dadurch eine Kompensation der Untergi'und strahlung und der Umgebungseinflüsse bewirken, daß der Strahlungsempfänger abwechselnd mit zwei Spektralbereichen beaufschlagt wird, von denen der eine durch das festzustellende Gas und der andere durch das Trägergas absorbiert wird. Beide Einstrahlinstrumente benötigen einen modulierten oder unterbrochenen Lichtstrahl, In a known infrared analyzer, two parallel infrared light beams are used, one of which is an analysis beam. The two beams are generally modulated in push-pull so that they alternately impinge on two radiation receivers arranged next to one another. There are also modulated single-beam instruments | known in which the selectivity for a particular gas is achieved by separate, tandem-connected pneumatic detectors, the second detector receiving less energy than the first. Radiation instruments are also known which compensate for the background radiation and environmental influences by alternately applying two spectral ranges to the radiation receiver, one of which is absorbed by the gas to be detected and the other by the carrier gas. Both single-beam instruments require a modulated or interrupted light beam,
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines einfacheren Einstrahlinstruments ohne Verluste an Trennschärfe oder Empfindlichkeit, bei dem ein einziger infraroter Lichtstrahl ohne Modulation oder mechanische Unterbrechung zuerst durch das zu prüfende Gas geleitet und dann so gerichtet wird, daß er auf zwei hintereinander angeordnete Fühlglieder auftrifft.The object of the invention is to create a simpler single-beam instrument without loss of selectivity or sensitivity, in which a single infrared light beam without Modulation or mechanical interruption is first passed through the gas to be tested and then directed so that it is on meets two sensing elements arranged one behind the other.
Demgemäß ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Bestandteils in einem Gasgemisch mittels Infrarotanalyse, die aus einer Infrarot-Strahlungsquelle, einem Infrarot-Strahlungsempfänger und einer im Strahlengang zwischen beiden befindlichen Zelle zur Aufnahme des zu prüfenden Gasgemischs besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete elektrische Widerstandselemente enthält, daß sich zwischen den Widerstandselementen eine Gasmenge befindet, die Strahlungsenergie im gleichen Spektralbereich wie der zu untersuchende Bestandteil absorbiert, und daß die beiden Widerstandselemente in einem elektrischen Stromkreis liegen, mit dem ihre Temperaturdifferenz zuerst ohne und dann mit dem betreffenden Bestandteil des Gasgemischs in der Prüfzelle gemessen werden kann.Accordingly, a device for determining the concentration of a certain constituent in a gas mixture is by means Infrared analysis consisting of an infrared radiation source, an infrared radiation receiver and one in the beam path between two located cell for receiving the gas mixture to be tested, characterized in that the radiation receiver two in the beam path arranged one behind the other electrical resistance elements contains that between the resistance elements is a quantity of gas, the radiation energy in the same spectral range as that to be examined Component absorbed, and that the two resistance elements are in an electrical circuit with which their temperature difference can be measured first without and then with the relevant component of the gas mixture in the test cell.
Die Widerstandselemente bestehen beispielsweise aus Thermistoren. Der Strahlungsempfänger befindet sich vorzugsweise in einer einzigen abgeschlossenen Kammer, wobei der erste Thermistor nahe dem Eingangsfenster und der zweite Thermistor nahe dem anderen Ende der Kammer angeordnet ist. Die Kammer ist mit einer vorbe-The resistance elements consist of thermistors, for example. The radiation receiver is preferably located in a single enclosed chamber with the first thermistor close by the entrance window and the second thermistor near the other The end of the chamber is arranged. The chamber is provided with a
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stimmten Konzentration der gasförmigen Komponente gefüllt, die festgestellt und gemessen werden soll, und zwar gemischt mit einem nicht absorbierenden Trägergas. Statt des zu untersuchenden Bestandteils kann auch ein Gas verwendet werden, das Infrarotenergie im gleichen Wellenlängenbereich wie die betre'ffende Komponente absorbiert. Der erste Thermistor empfängt also stets mehr Strahlungsenergie in einem bestimmten Spektral- W bereich als der zweite Thermistor, weil ein Teil der Energie in diesem Bereich durch die im abgeschlossenen Raum zwischen den beiden Thermistoren befindliche, zu untersuchende Komponente absorbiert wird. Die Thermistoren sind vorzugsweise in Brückenschaltung angeordnet, die abgeglichen ist, wenn sich in der Prüfzelle ein Gas befindet, das keinen der zu untersuchenden Bestandteile enthält, Aendert sich die Zusammensetzung der Probe später derart, daß ein Anteil der betreffenden Komponente vorhanden ist, so wird dadurch der Strahlungsanteil, der den *m ersten Thermistor erreicht, verringert, während die den zweiten Thermistor erreichende Reststrahlung nicht wesentlich beinflusst wird, weil die nun in der Probe durch den betreffenden Bestandteil absorbierte Energie vorher durch den gleichen Bestandteil in der abgeschlossenen Kammer absorbiert wurde. Anwesenheit und Konzentration des betreffenden Bestandteils können also durch die Störung des Brückengleichgewichts gemessen werden, die von einer Aenderung des Temperaturunterschieds der beiden Thermistoren gegenüber dem Nullwert herrührt. Der erste Thermistor wirkt also als Dedektorelement und der.zweite alscorrect concentration of the gaseous component that is to be detected and measured, mixed with a non-absorbing carrier gas. Instead of the component to be examined, a gas can also be used which absorbs infrared energy in the same wavelength range as the component in question. The first thermistor therefore always receives more radiant energy in a certain spectral range than the second thermistor, because part of the energy in this range is absorbed by the component to be examined in the closed space between the two thermistors. The thermistors are preferably arranged in a bridge circuit, which is balanced if there is a gas in the test cell that does not contain any of the constituents to be examined the proportion of radiation which reaches the * m first thermistor is reduced, while the second thermistor reaching residual radiation is not substantially influenced, because the now absorbed in the sample by the relevant part of energy previously absorbed by the same ingredient in the sealed chamber. The presence and concentration of the constituent in question can therefore be measured through the disturbance of the bridge equilibrium, which results from a change in the temperature difference between the two thermistors compared to the zero value. The first thermistor thus acts as a detector element and the second as a
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Bezugselement, so daß eine Aenderung der Tenperaturvertei lung zwischen ihnen nach anfänglichem Abgleich nahezu ausschließlich von der Anwesenheit der betreffenden Komponente in dem untersuchten Gasgemisch herrührt und durch Schwankungen anderer Umgebungsbedingungen nicht beeinflusst wird.Reference element, so that a change in the temperature distribution between them after the initial comparison is almost exclusively originates from the presence of the component in question in the gas mixture under investigation and from fluctuations in other environmental conditions is not affected.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der einzigen Figur beschrieben, die teilweise schematisch und teilweise im Schnitt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Gerätes zeigt.An embodiment of the invention is based on the following the single figure described, the partially schematic and partially in section a side view of the invention Device shows.
Als Strahlungsquelle dient beispielsweise ein Glühfaden 1, der elektrisch derart geheizt wird, daß er Strahlungsenergie in dem gewünschten Spektralbereich im Infrarot abgibt. Diese Energie wird als mehr oder weniger schmaler Lichtstrahl längs einer optischen Achse 2 durch ein Infrarot-durchlässiges Fenster 3 in eine Gaszelle 4 geschickt, durch welche das zu prüfende Gasgemisch mittels der Zu- und Ableitungen 6 und 7 geleitet werden kann. Die aus der Zelle austretende Strahlungsenergie gelangt in einen Strahlungsempfänger 8, und fällt dort auf Thermistoren 9 und 11 in einer gasdicht abgeschlossenen Kammer 12.A filament 1, for example, serves as the radiation source is electrically heated in such a way that it emits radiant energy in the desired spectral range in the infrared. This energy is as a more or less narrow light beam along an optical axis 2 through an infrared-permeable window 3 sent into a gas cell 4, through which the gas mixture to be tested is passed by means of supply and discharge lines 6 and 7 can be. The radiation energy emerging from the cell reaches a radiation receiver 8 and is noticeable there Thermistors 9 and 11 in a gas-tight sealed chamber 12.
Der Strahlungsempfänger 8 besitzt ferner einen Konzentrationstrichter 13 mit vorzugsweise stark reflektierenden Seitenwänden, die in einem passenden Winkel zur optischen Achse angeordnetThe radiation receiver 8 also has a concentration funnel 13 with preferably highly reflective side walls, which are arranged at a suitable angle to the optical axis
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sind, damit ein möglichst großer Teil der Infrarotstrahlen auf die Thermistoren und deren unmittelbare Umgebung fällt. Beim Eintritt in die Kammer 12 geht der Lichtstrahl durch ein infrarot-durchlässiges Fenster 14, das in das Trichtergehäuse 16 mittels einer Bleidichtung 17 eingesetzt ist. Die Bleidichtung verringert den Wärmeschock auf das Fenster, wenn eine intensive Strahlung darauf auftrifft.so that as large a part of the infrared rays as possible falls on the thermistors and their immediate surroundings. When entering the chamber 12, the light beam passes through an infrared-permeable window 14 that enters the funnel housing 16 is inserted by means of a lead seal 17. The lead gasket reduces the thermal shock to the window, though intense radiation hits it.
Die Kammer 12 ist in einer Ausnehmung 18 des Gehäuses 19 ausgebildet und vollständig gegen die äußere Atmosphäre abgeschlossen. Der größte Teil der Kammerwand wird durch die Innenfläche eines zylindrischen Röhrchens 20 gebildet, das vergoldetest, um sein Reflexionsvermögen zu steigern. Dieses Röhrchen wird in der Ausnehmung axial durch Flanschscheiben 21 und 22 gehalten, wobei die letztere kein Mittelloch auffweist. Zur seitlichen Halterung des Metallröhrchens 20 dient ein isolierender Mantel 23. Die Scheibe 21 ist mittels einer Dichtung 24 gegen das Fenster 14 abgedichtet. Die Thermistoren 9 und 11 werden von dünnen Drähten 25 an den beiden Enden des Söhrchens 20 getragen, und zwar sind die Drähte durch Einkerbungen 26 des Röhrchens 20 aus der Kammer herausgeführt und sind zwischen einer Dichtung 27 und paarweise angeordneten elektrischen Kontaktstücken 28,29 und 31,32 eingeklemmt. Die Dichtungen 27 isolieren die Drähte 25 auch von den Flanschen 21 und 22. Die Kontaktstücke 28,The chamber 12 is formed in a recess 18 of the housing 19 and is completely sealed off from the external atmosphere. Most of the chamber wall is formed by the inner surface of a cylindrical tube 20 which has been gold plated to increase its reflectivity. This tube is held axially in the recess by flange disks 21 and 22, the latter not having a central hole. An insulating jacket 23 serves to hold the metal tube 20 on the side. The disk 21 is sealed against the window 14 by means of a seal 24. The thermistors 9 and 11 are carried by thin wires 25 at the two ends of the tube 20, namely the wires are led out of the chamber through notches 26 of the tube 20 and are between a seal 27 and electrical contact pieces 28, 29 and 31 arranged in pairs , 32 pinched. The seals 27 also isolate the wires 25 from the flanges 21 and 22. The contact pieces 28,
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29 und 31, 32 sind durch einen Gummiring 33 axial voneinander g.etrennt und auf dem Zylinderumfang durch zylindrische Isoliersegmente (nicht sichtbar) voneinander getrennt, so daß jedes Kontaktstück einzeln elektrischen Eontakt mit einem bestimmten Ende eines Thermistordrahtes 25 macht. Die Kontaktstücke sind ferner von dem Gehäuse 19 durch eine Isolierbuchse 34 und von den Flanschen 21 und 22 durch die Dichtungen 27 isoliert. Eine Schraube 36 in einer Gegenbohrung 37 am Boden des Gehäuses 19 liefert den axialen Dichtungsdruck. · Der elektrische Kontakt zwischen den Thermistore und der äußeren elektrischen Schaltung geschieht über Anschlußbuchsen 38, die in isolierenden Buchsen 39 sitzen und mit Innengewinde versehen sind, um Kontaktschrauben 41 aufzunehmen. Die letzteren gehen durch entsprechende L8cher 42 in der Isolierbuchse 34, um die Kontaktstücke berühren zu können.29 and 31, 32 are axially separated from one another by a rubber ring 33 and separated from one another on the cylinder circumference by cylindrical insulating segments (not visible), so that each contact piece individually makes electrical contact with a specific end of a thermistor wire 25. The contact pieces are further isolated from the housing 19 by an insulating bushing 34 and from the flanges 21 and 22 by the seals 27. A screw 36 in a counterbore 37 in the bottom of the housing 19 provides the axial sealing pressure. The electrical contact between the thermistor and the external electrical circuit is made via connection sockets 38, which sit in insulating sockets 39 and are provided with internal threads in order to accommodate contact screws 41. The latter go 8 cher 42 in the insulating sleeve 34 to be able to touch the contact pieces by corresponding L.
Wie schematisch angegeben, sind die Thermistoren als Brückenzweige einer Wheatston*sehen Brücke geschaltet, die ferner die einstellbaren Widerstände 43 und 44, ein«Batterie 46 und ein Messinstrument M enthält. Selbstverständlich können auch andere Messchaltungen und Messvorrichtungen verwendet werden.As indicated schematically, the thermistors are used as bridge arms a Wheatston * see bridge switched that further the adjustable resistors 43 and 44, a battery 46 and a measuring instrument M contains. Of course you can too other measuring circuits and measuring devices can be used.
Beim Zusammenbau wird die Kammer 12 mit einem Gemisch des zu prüfenden Gases' (oder eines Gases, das im gleichen Spektralbereich wie dieser Bestandteil infrarote Strahlung absorbiert) und eines nichtabsorbierenden Trägerf*«es wieDuring assembly, the chamber 12 is filled with a mixture of the Gas to be tested '(or a gas that is in the same spectral range as this component infrared radiation absorbed) and a non-absorbent carrier like
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Argon, Xenon oder Krypton gefüllt. Vorzugsweise ist die Konzentration des betreffenden Bestandteils in der Kammer 12 etwas größer als die maximale erwartete Konzentration in dem zu untersuchenden Gas. Im Betrieb wird die Brückenschaltung anfänglich ohne den zu untersuchenden Bestandteil in der Prüfzelle, jedoch mit vorhandenem Trägergas abgeglichen. In diesem Falle empfängt der erste Thermistor mehr Strahlungsenergie in einem bestimmten Spektralbereich als der zweite Thermistor, weil der interessierende Gasbestandteil in der Kammer 12 eine Infrarotabsorption erleidet. Da der erste Thermistor am Eingang der Kammer sitzt, wird er durch diese Absorption nur gering beeinflusst, während dior zweite Thermistor am entgegengesetzten Ende der Kammer maximal beeinflusst wird.Argon, Xenon or Krypton filled. Preferably the concentration of the constituent in question is in the chamber 12 slightly larger than the maximum expected concentration in the gas to be examined. The bridge circuit is in operation initially without the component to be examined in the test cell, but calibrated with the carrier gas present. In this case, the first thermistor receives more radiant energy in a certain spectral range than the second Thermistor, because the gas constituent of interest in chamber 12 undergoes infrared absorption. Since the first Thermistor sits at the entrance of the chamber, it is only slightly influenced by this absorption, while the second thermistor at the opposite end of the chamber is maximally influenced.
Nachdem die Brücke unter diesen Bedingungen abgeglichen wurde, wird eine Gasprobe, die einen merklichen Anteil des zu untersuchenden Bestandteils (und die weiteren Bestandteile) enthält, durch die Prüfzelle geleitet. Die auf den ersten Thermistor fallende Strahlung wird nun geringer als unter den vorherigen Abgleichbedingungen sein, als die Trägerbestandteile allein vorhanden waren, weil die in der Prüfzelle befindliche Komponente eine Absorption bewirkt. Der zweite Thermistor empfängt dagepn ebensoviel Strahlungsenergie wie zuvor, dennAfter the bridge has been leveled under these conditions, is a gas sample that contains a noticeable proportion of the constituent to be examined (and the other constituents), passed through the test cell. The thermistor at first falling radiation will now be less than under the previous balancing conditions than the carrier components alone were present because the one in the test cell Component causes absorption. The second thermistor receives as much radiant energy as before, because
in was nun durch die untersuchte Substanz/der Prüfzelle absorbiert wird, wurde vorher durch die gleiche Substanz in der Detektorkammer 12 absorbiert. Demzufolge ändern sich die Temperatur-in what is now absorbed by the examined substance / the test cell is, was previously by the same substance in the detector chamber 12 absorbed. As a result, the temperature
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Verhältnisse zwischen den beiden Thermistoren und die Brücke erfährt eine Störung des Abgleichs, deren Ausmaß proportional zur Konzentration des untersuchten Bestandteils in der Prüfzelle ist.Relationships between the two thermistors and the bridge experiences a disturbance in the adjustment, its extent is proportional to the concentration of the tested component in the test cell.
Bei längerem Betrieb des Gerätes erhöht sich die Temperatur des Gases in der Detektorkammer, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, in welchem die von dem Gas durch das Detektorgehäuse abgegebene Wärme gleich der durch die ankommende Strahlung zugeführten Wärme ist. Diese fühlbare Wärme beeinflusst beide Thermistoren; infolge der Konstruktion des Strahlungsempfängers ist die Gastemperatur in der Kammer aber weitgehend gleichmäßig und beeinflusst beide Thermistoren gleich. Ebenso treffen Schwankungen der von der Lichtquelle 1 abgegebenen Strahlungsenergie oder andere Schwankungen der Umgebungsbedingungen beide Thermistoren in gleicher Weise und können das Messergebnis des zu analysierenden Bestandteils in der Prüfzelle nicht verfälschen.If the device is operated for a longer period of time, the temperature of the gas in the detector chamber increases until a state of equilibrium is reached is reached in which the heat given off by the gas through the detector housing is equal to that through the incoming radiation is heat supplied. This sensible heat affects both thermistors; as a result of the construction of the radiation receiver, the gas temperature in the chamber is largely uniform and influences both thermistors same. Likewise, fluctuations in the radiant energy emitted by the light source 1 or other fluctuations in the Environmental conditions both thermistors in the same way and can change the measurement result of the component to be analyzed do not falsify it in the test cell.
Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform befinden sich die beiden hintereinander angeordneten Thermistoren in getrennten abgeschlossenen Kammern, von denen mindestens eine ein Gasgemisch enthält, dem ein bestimmter Anteil des zu untersuchenden Gases (oder eines Gases nit Infrarotabsoi^tion im gleichen Spektralbereich) zugemischt ist.In another embodiment, not shown, are located the two thermistors arranged one behind the other are in separate closed chambers, of which at least one contains a gas mixture to which a certain proportion of the gas to be examined (or a gas with infrared absorption in the same spectral range) is added.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |